（机械工程专业论文）数控机床的改造及应用.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 上世纪8 0 年代，我国从国外引进的中高档数控机床，都已经严重老化， 故障频繁，甚至早已不能正常工作。如果对这些数控设备进行改造，只需几 十万元，就能焕发其第二青春，满足现代高精度、高速度和高可靠性的加 ： 要求。数控机床的改造具有明显的经济效益与社会效益。 作为老军工企业，哈航集团公司需要改造的设备越来越多，依靠一些系 统制造商或小公司对机床进行改造，费用高，服务差，为此进行了很多数控 机床的改造，积累了一定的经验。 本文以h c 6 3 0 卧式加工中心改造为例，对改造过程中改造方案的确定、 恢复机械精度、安装调试、利用激光干涉仪和球杆仪进行综合测评、优化参 数等方面进行了阐述。并通过对伺服驱动单元原理的分析，建立了数学模型， 分析了其特性，从理论上为调试提供了依据。通过改造恢复了机床的精度和 所有功能，机床状况明显改善，提高了设备运行的稳定性、可靠性，大大降 低了设备的维修费用，为公司节省了大量的资金。 另外，根据多年的数控机床维修实践及数控机床的改造经验，还对提高 数控机床改造的精度的措施进行了较详细的阐述，对数控机床的改造具有一 定的指导作用。 关键词：数控机床；改造；提高精度；措施；应用 堕璺堡：兰型查堂堡主堂篁堡茎 a b s t r a c t t h em i d d l ea n dh i g hl e v e l i m p o r t e dn cm a c h i n e si n 19 8 0 s h a v e b e e n s e r i o u s l ya g e d ，f r e q u e n t l yf a i l e da n de v e ni n o p e r a t i v el o n gt i m ea g o t h e r e b u i l d i n go fs u c hm a c h i n e sw i l lc o s to n l yh u n d r e d so ft h o u s a n d so fr m b a n d t h em a c h i n e sr e b u i l tc a l lm e e tt h em a c h i n i n gr e q u i r e m e n t s i n c l u d i n gh i g h a c c u r a c y ，h i g hs p e e da n dr e l i a b i l i t y t h e r e f o r et h er e b u i l d i n go f n cm a c h i n e sw i l l g e n e r a t es i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t a sam i l i t a r ye n t e r p r i s ew i t ha l o n gh i s t o r y ，h a r b i na v i a t i o ng r o u pw i l lh a v e m o r ea n dm o r em a c h i n e s r e q u i r e dt ob er e b u i l t t h er e b u i l d i n go fm a c h i n e s p e r f o r m e db ys o m es y s t e mm a n u f a c t u r e r sw i l lc o s tm u c hh i g h e ra n dt h e i rs e r v i c e q u a l i t yi sn o tg o o d t h e r e f o r ew eh a v ec a r r i e do u ts o m er e b u i l d i n go fn c m a c h i n e sb yo u r s e l v e sa n da c c u m u l a t e dac e r t a i ne x p e r i e n c e s t h ep a p e r ，u s i n gt h er e b u i l d i n go fh c 6 3 0h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e ra sa n e x a m p l e ，d e s c r i b e st h er e b u i l d i n gp r o c e s si n c l u d i n gt h ed e t e r m i n a t i o no f r e b u i l d i n gp r o g r a m ，r e s t o r i n go fm e c h a n i c a la c c u r a c y ，i n s t a l l a t i o na n d c o m m i s s i o n i n g ，c o m p r e h e n s i v et e s t i n ga n dm e a s u r i n gw i t hl a s e ri n t e r f e r o m e t e r a n db a l la r mi n s t r u m e n t ，a n do p t i m i z i n go fp a r a m e t e r s t h em a t h e m a t i cm o d e l h a sb e e ne s t a b l i s h e da n di t sc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e na n a l y z e dt h r o u g ha n a l y z i n g t h ep r i n c i p l eo fs e r v od r i v i n gu n i t ，t h u sp r o v i d i n gt h e o r e t i c a lb a s i sf o rm a c h i n e c o m m i s s i o n i n g t h er e b u i l d i n go fm a c h i n e sr e s t o r e st h eo r i g i n a la c c u r a c ya n d f u n c t i o n s ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h em a c h i n ec o n d i t i o n ，i n c r e a s e st h es t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t y ，g r e a t l yr e d u c e st h em a c h i n er e p a i rc o s t ，a n ds a v e sa l a r g eq u a n t i t y o fc a p i t a l f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h ep r a c t i c a ln cm a c h i n er e p a i r i n gw o r ka n dn c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m a c h i n er e b u i l d i n ge x p e r i e n c e ，t h ep a p e rt h o r o u g h l yd e s c r i b e st h em e a s u r e sf o r i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fm a c h i n er e b u i l ta n dp r o v i d e sc e r t a i ng u i d a n c eo nt h e r e b u i l d i n go f n cm a c h i n e s k e y w o r d ：n cm a c h i n e s ；r e b u i l d i n g ；a c c u r a c yi m p r o v i n g ； m e a s u r e s a p p l i c a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 膝立逛 日期：腑易月弓日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 数控机床改造的发展概况 1 1 1 我国数控机床情况 近年来，国家在军品能力调整和军品生产线的技术改造上的投资，使部 分大型军工企业迎来了新的机遇，不少企业相继配置和增加了数量可观的数 控设备，使工厂的加工能力发生了较大的变化。但是由于投资有限，军品生 产线的技术改造工作只能在局部关键点上进行，大多数通用机加设备还在使 用，同时，有非常多旧的数控机床需要更新控制系统，这种类型机床改造的 需求越来越大，现在，数控机床改造已经逐渐形成了个产业。 目前国内机床数控化率不到3 。近l o 年来，我国数控机床年产量约为 0 6 0 8 万台。机床的年产量数控化率为6 。我国机床役龄1 0 年以上的占 6 0 以上；1 0 年以下的机床中，自动半自动机床不到2 0 。国内大多数制造 行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 1 0 年以上的旧机床，加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成 本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企、 的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技 术改造。据不完全统计，从1 9 7 9 1 9 8 8 年1 0 年间，全国引进技术改造项目 就有1 8 4 4 6 项，大约1 6 5 8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济 建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不 能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。 一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护刁i 当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、 工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运 行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较 长时问，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而 消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一笔很大的资产，修好了 就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投 资盘活非常大的资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大 的改造市场。 1 1 2 数控机床改造的特点 数控改造技术在机械加工行业中的应用越来越广泛，这主要是由于数控 改造有以下几方面突出特点和优点： ( 1 ) 投资额少、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6 0 8 0 的费用，改造费用低，特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造， 只是新机床购置费用的 3 ，交货期短。即使有些特殊情况，如高速主轴、 托盘自动交换装置的制造与安装过于费工、费钱，改造成本也高2 3 倍，但 与购置新机床相比，也能节省投资5 0 左右。 ( 2 ) 机械性能稳定可靠所利用的床身、立柱等基础件都是重而兼顾的 铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为 新设备继续使用多年。 ( 3 ) 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否 满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床地加工能力；另外， 由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训 时问短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 ( 4 ) 可采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高 生产设备地自动化水平和效率，提高设备和档次，将旧设备改成当今水平的 机床。 ( 5 ) 充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购置新设备 时那样需要重新构筑地基。因此可节约费用，降低改造成本，同时也可缩短 生产准备周期。 ( 6 ) 提高产品质量和工效可以解决复杂零件的加工精度控制，加工的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 产品尺寸一致性好、合格率高、废品率的、生产效率高。如经济型数控机床， 一般可提高工效3 7 倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效越明显。 ( 7 ) 减轻工人的劳动强度，提高工人素质促进科技成果的普及和应用， 为“体力型”向“智能”转变创造条件。“1 1 1 3 国内外数控机床改造的现状 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行 业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造 是个”永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为 主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广 阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造 业称为机床再生( r e m a n u f a c t u r i n g ) 业。从事再生业的著名公司有：b e r t s c h e 工程公司、a y t o n 机床公司、d e v l i e g b u l l a v d ( 得宝) 服务集团、u s 设备公 司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装 业( r e t r o f i t t i n g ) 。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械 公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 在德国，机床改造业已经成为一个新兴的工业部门。在不太景气的机床 市场上，二手机床的销售相当红火，据统计，早在1 9 9 8 年德国二手机床销售 额就达到2 5 亿马克。 德国在机床数控化改造方面，不仅考虑了如何通过机床的数控化改造来 适应生产技术的发展、劳动组织的变革，而且还全面地考虑了如何充分利用 技术工人现有的经验知识。因此，在德国除了企业从事机床改造工作外，还 有一些高校、研究机构等也参与了机床改造的研究与指导工作，对机床改造 过程中的生产技术、劳动组织和人员素质之间的相互关系进行了全面、系统 地研究，联邦政府和州政府专门拨款支持该领域的研究工作。 在德国可以将改造后的旧机床的质量和性能做得与新机床差不多，而且， 改造后的二手机床的用户也同样能够得到供应商或改造厂提供的配套服务。 这样，可以消除二手机床用户的后顾之忧，他们也就更乐意改造本厂原有的 旧机床或者从市场上购买改造过的二手机床，从而更有力地推动了机床改造 行、i e 的。 堕堑堡三堡盔堂堡主堂垡丝苎 1 2 机床数控化改造的需求 1 2 1 市场需求 1 、机床数控化改造的市场 大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且 半数以上是役龄在1 0 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在 质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺 乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。 所以必须大力提高机床的数控化率。 2 、进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技 术改造。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但 是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使 企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。些设备、生产线从国外引 进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良：有的引进 时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不 完整，设备潜力不能发挥：有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用： 有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标：有的因为能 耗高、产品合格率低而造成亏损：有的己引进较长时间，需要进行技术更新。 5 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修 好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小 的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一 个极大的改造市场。 1 2 2 必要性和迫切- 陛 1 、数控机床对比传统机床有以下突出的优越性。 1 ) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由 于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。 2 ) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化。从而效率可比传统机床 提高三到七倍。 3 ) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。 4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。多道工序是在 一次定位、一次装夹下实现。 5 ) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长 时间无人看管加工。因此劳动生产率提高和生产周期缩短，效益非常明显。” 2 、利用少量资金进行数控化改造可以发挥明显效益 我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后2 0 年。因此每年都有 大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切 性。上世纪8 0 年代，陆续从国外引进了很多中高档数控机床，有的服役期满， 有的不能正常工作，处于闲置，造成巨大资源浪费。这些机床共同之处在于 机械部分基本完好，精度较高，主要是由于数控系统出现问题而又难以购罱 配件，不能满足正常生产的需要和现代高精度、高速度和高可靠性的加工要 求。如果利用进口数控系统对现有数控设备进行数控化改造，只需几寸万元 就能发挥现有设备的作用，而购置一台新的同性能的数控机床则需要几百万 甚至上千万的资金，因此，对我国来说数控机床的数控化改造，尤其是加工 中心的数控化改造具有明显的经济效益与社会效益，非常迫切。”3 1 2 3 可行性 l 、数控机床改造存在很大的市场需求。 2 、数控系统的技术日趋成熟，特别是s i e m e n s 系统、f a n u c 系统功能齐 全、性能稳定，非常适合机床改造； 3 、数控机床改造的优点很多，可以升级机床的功能，最重要的是可以节 省大笔的资金。 4 、机床功能模块化技术已经成熟，更换方便； 5 、经过若干年的锻炼，已经培养出一批掌握现代数控机床改造的队伍， 在改造机床方面的技术储备，力量雄厚；。1 综上所述，数控机床的改造具有可行性。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2 4 数控机床改造的内容 1 、恢复机床功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复； 2 、利用国外先进数控系统，对机床进行数控化改造； 3 、为提高精度、效率和自动化程度，根据改造需要对机械、电气部分元 器件进行更换，对机械部分重新修配调整，恢复原精度； 4 、技术更新或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技 术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水 平和档次。 1 3 课题来源和研究的意义 1 3 1 课题来源 9 0 年代初，由于国家在军品生产和技术改造上的投资，使东安公司( 哈 航集团前身) 迎来了新的机遇，相继配置和增加了数量可观的数控设备，但 是由于投资有限，所以先后从日本、德国、美国等国家引进了很多二手数控 机床，大多数的二手数控机床控制部分严重老化，由于国外数控系统、驱动 系统厂家的产品更新加快，原有产品早已停产，给备件更换与维修带来一定 困难，且维修费用昂贵。机床故障频繁，无法满足生产的需要，要想彻底修 复这些机床，唯一的办法就是更换控制系统，对机床进行彻底的改造。“” h c 6 3 0 卧式加工中心是哈航集团有限公司购买的日本二手设备，由于该 加工中一t 3 机械、液压部分性能良好，各个部件磨损较少，且该机床承担着重 要的加工任务，所以，公司决定对其进行彻底的改造，恢复机床功能，满足 生产需要。 1 3 2 设备现状 h c 6 3 0 卧式加工中心数控系统、伺服等器件存在严重的问题，经常出现 死机等故障，进而造成加工件报废，因这些器件是系统制造商早已淘汰的产 品，不再生产，所以无法修复，因此，机床购置后一直未能正常使用，基本 处于闲置状态。 机床配置如下：日本f a n u c7 系统；直流驱动系统，大板结构，直流伺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 服电机；直线轴采用滚珠丝杠驱动，位置检测方式采用感应同步器；回转轴 蜗轮蜗杆驱动，圆光栅检测；机床有4 个坐标轴：x 、y 、z 、b ( 工作台) ；一 个主轴，采用直流调速主轴电机，转速：1 2 6 0 0 0r p m ；x 轴行程1 2 0 0 m m ，y 轴行程8 5 0 m m ，z 轴行程6 5 0 m m ；进给速度1 2 4 0 0 0 m m m i n ，快速进给 2 4 0 0 0 m m m i n 另外，机床还带有由液压油缸驱动的交换工作台、4 0 把刀位的链式刀库、 冷却系统、集中自动润滑系统、全封闭防护罩。 1 3 3 工作的意义 随着时代的发展，哈航集团公司旧数控机床的老化越来越严重，需要改 造的设备也越来越多，依靠一些系统制造商或小公司对机床进行改造，不仪 费用很贵，而且服务也很差，为此，车间改造了很多数控机床，为自行改造 加工中心闯出了一条新路子。 因为h c 6 3 0 卧式加工中心的机械、液压部分性能良好，各个部件磨损较 少，又基本处于闲置状态，严重影响了公司的正常生产，因此公司决定要对其 进行改造，恢复机床原有数控功能，提高设备工作效率，提高机床原有加工 性能，以满足生产的需要。 1 4 本文的主要工作 本课题的研究是基于对哈航集团有限公司航机公司的h c 6 3 0 卧式加工中 心数控化改造工程进行的。改造过程中首先分析机床的特点，确定使用 s i n e r i k8 4 0 d 数控系统和s i m o d r i v e6 1 i d 驱动单元改造方案，并结合机 床硬件配置进行相应的机床参数的设置；然后根据机床具体功能编制、调试 p l c 程序；最后利用激光干涉仪和球杆仪机床的性能进行综合的测评，并适 当驱动参数进行优化和系统综合调试运行。 文中针对数控机床改造所遇到的问题进行了分析、论证，尤其是对提高 机床改造后精度的问题，进行了深入的研究和相应的实验。 同时，针对加工中心改造所选用的8 4 0 d 数控系统，通过对伺服驱动单元 原理的理论分析，建立了控制系统数学模型并分析其特性，从理论上确定控 制参数的优化和匹配，为现场调试提供了理论依据，大大缩短了现场调试的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时间。 在整个项目的改造过程中主要完成以下几方面的工作： 1 、在对h c 6 3 0 卧式加工中心的生产工艺、操作编程、技术性能指标认真 分析的基础上，结合加工中心的实际情况提出最佳改造方案和数控系统配置： 2 、研究h c 6 3 0 卧式加工中心的控制过程，编制、调试p l c 控制程序； 3 、对h c 6 3 0 卧式加工中心的机械部分进行相应的调整和更换，并对各部 分进行调试，恢复机床的几何精度； 4 、设计相应的转接装置，完成西门子8 4 0 d 数控系统和6 1 1 d 驱动单元以 及伺服电机等在机床上的安装并调试； 5 、硬件组态，连接系统总线，对各部件正确设定地址，处理所有的接口 信号，对机床参数进行正确设置； 6 、分析伺服驱动单元的控制原理，建立机床控制系统的数学模型，在理 论上对速度环和位置环等机床驱动参数进行分析，为现场参数设定提供理论 依据： 7 、完成整个系统的调试任务，包括误差补偿、加工试件等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章提高改造精度的措施和新技术的应用 一台好的数控机床，在设计上要达到：高的静动态刚度；运动副之间的 摩擦系数小，传动无问隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽 量达到上述要求。不能认为将现代数控装置与机床连接在一起就达到了数控 机床改造的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求， 才能获得预期的改造目的。 。 2 1 主要措施 根据多年的数控机床维修实践及近十台数控机床的改造经验，认为提高 机床改造的精度的措施主要有： 1 、修复机床导轨精度 2 、更换主轴轴承、重新磨削主轴锥孔，恢复主轴精度。 3 、修复或更换滚珠丝杠 4 、尽量采用闭环控制 5 、利用激光干涉仪和球杆仪进行螺距补偿、垂度补偿及系统性能综合分 析 6 、减少传动环节的误差，全面调整几何精度 2 ，1 1 修复机床导轨精度 导轨的作用是导向与承载。导轨在空载和在切削条件下运动时，都应具 有足够的导向精度。是机床几何精度的基础，所以，机床在改造时，为了达 到预期的精度要求，往往必须修复导轨精度。对不同形式导轨，大概修理方 法如下： 1 塑料导轨重新粘塑 使用聚四氟乙烯( p t f e ) 导轨软带是用于塑料导轨最成功的一种。这种 导轨软带材质是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充 剂混合烧结，并做成软带状。修复时，首先将导轨面加工至表面粗糙度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r a 3 2 1 6 ，有时为了起定位作用，导轨粘贴面加工成0 5 l m m 的凹槽，用 汽油或金属清洗剂或丙酮清洗导轨粘贴面后，用胶粘剂粘合导轨软带，初加压 1 2 小时后再合拢到配对的固定导轨或专用夹具上施加一定的压力，在室温 固化2 4 小时，即可开始开槽和精加工。 2 使用环氧型耐磨导轨涂层修复导轨精度。 工作台导轨的涂层，就是床身导轨的拓印，它的配合精度必然很高，简 化了工艺，缩短了制造周期。应用于机床改造更为便利，效果显著。 3 、铸铁导轨 铸铁导轨的精加工是用刮削的方法得到的，刮研显点为1 8 2 5 点平方 厘米，同时，必须保证润滑的可靠性。这样才能尽可能的减小摩擦，以及对 位置控制精度的影响。 4 、静压导轨重新调整导轨各处的压力，恢复导轨精度。 5 、直线滚动导轨副 滚动导轨的优点是摩擦系数小于0 0 0 5 ，静、动摩擦系数很接近，没有 爬行现象，可以使用润滑脂润滑，改造时要重新调整导轨的几何精度和预紧， 重新调整精度，恢复导向精度与承载能力。若无法修复时，可根据对预紧的 要求订货，全部更换。“” 2 1 2 恢复主轴精度 主轴是主轴组的重要组成部分。机床工作时，由主轴夹持着工件或刀具 直接参加表面成形运动，对加工质量和生产率，有重要影响。所以，改造时 必须修复主轴的精度。 对于精度超差的主轴拆卸以后应对其进行全面检查，以便确定修理方案。 但大多需要更换主轴轴承、重新调整轴承的间隙调整和预紧。调整后应进行 温升实验，温升超过规定值，应减少预紧量。“” 当主轴轴承重新装配好后，用千分表和标准检验棒，检查主轴锥孔中心 线是否和主轴的回转中心重合，如果相差较大，则必须用专用的磨头，重新 磨削主轴锥孔，使其回转中心同主轴的回转中心完全重合。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3 修复或更换滚珠丝杠 随着现代科技的发展，机械制造业正不断面临着高速度、高精度等新的 挑战。滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其长寿命、高刚 度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类数控 机床的重要配套部件，并已实现了标准化、通用化和商品化。基本上现代的 数控机床都采用了滚珠丝杠，但在改造时，一定要恢复其传动精度，或干脆 更换新的或更高精度的滚珠丝杠，只有这样才能保证改造后的定位精度，尤 其是在半闭环系统中，丝杠不仅要起到传动作用，还要起到标尺的作用，编 码器只是测量丝杠的转数，至于工作台实际行走的距离，相当于开环，只能 靠滚珠丝杠本身的精度保证。3 另外，丝杠的定位也很重要，不同的安装方式对最后的定位精度有不同 的影响。在改造时一定要更换或重新调整滚珠丝杠的滚动轴承，适当预紧， 保证其精度，尤其是起轴向定位作用的轴承。因为滚珠丝杠的轴向窜动，直 接影响到定位精度，虽然可以在数控系统中的反向间隙罩给予一定的补偿， 但实际反向间隙中包含了很多误差，还有丝杠与丝母间隙、测量系统( 编码 器) 与测量轴间隙、减速齿轮间隙等等，所以治标莫过于治本，最好全面恢 复滚珠丝杠的精度。” 2 1 4 尽量采用闭环系统 2 141 传动形式利弊分析 尽管机床的设计多种多样，但其进给传动装置的结构大致相同。通常情 况下，滚珠丝杠被用于实现伺服电机旋转运动到滑台线性运动的转变。在实 际应用中，由于其紧凑的结构和可通过选择传动比来配合电机转速的优点， 齿形皮带轮也得到了广泛的应用。总的来说，数控机床位置值的取得可通过 两个方式来进行。一是使用直线光栅尺，二是使用旋转编码器加上滚珠丝杠。“6 在使用旋转编码器加上滚珠丝杠进行位置控制时，控制环中仅包含了伺 服电机。这意味着机床的数控系统仅仅实现了对电机转子角度位置的控制而 非机床滑台的直线位置控制。为了从电机转子的角度位置，精确地计算出滑 台的直线位置，驱动电机及滑台之间一切传动系统的性能必须是已知的，而 且更为重要的是，这种性能必须是高重复性的。 1 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与此相反，由直线光栅尺组成的位置控制环包含了整个进给传动系统。 机械传动系统的误差由安装在滑台处的直线光栅尺检测出并可通过数控系统 进行补偿。 直接因采用旋转编码器加上滚珠丝杠系统而带来的误差为丝杠螺距洪 差、进给机构的间隙及所谓的螺距损失。由于滚珠丝杠的螺距被用来作为直 线测量的标准，因此滚珠丝杠的螺距误差直接影响到测量的结果。进给机构 内的间隙会导致背隙的出现。丝杠在开始运动的瞬间，滚珠需要一定的时 间来到达平稳运行的位置。这个过程会导致丝杠定位时轻微的非线性特性。 这种被称为螺距损失的现象会导致l 1 0 u m 左右的背隙。 大多数数控系统都可以对螺距误差和背隙进行补偿，不过，为了确定补 偿值，必须使用外部检测元件，如激光干涉仪或双坐标光栅进行复杂的测量。 另外，从长期来看，背隙会随时间变化，因此必须经常通过重新测量来获得 新的补偿值。1 9 1 综上所述，在数控机床改造为了取得较好的定位精度和加工精度，在条 件允许的情况下，尽量使用闭环控制。 21 4 2 相关实验 为了说明闭环控制和半闭环控制对定位精度的影响，在现有条件下，进 行了相关的实验。对改造好的h c 6 3 0 力口工中心( 闭环控制) 进行了一次测试， 然后，在同样测试条件下，修改系统参数，处理信号d b 3 1 d b x l 5 和 d b 3 1 d b x l 6 激活不同的测量系统，并适当修改传动比参数，把测量装置由光 栅尺改成电机编码器，使其成为半闭环，再进行一次测试。 实验一：用球杆仪对加工中心进行圆周测试，实验结果如图2 1 所示： ”。_ 自” 图2 1 球杆仪对h c 6 3 0 圆周测试结果 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实验证明，h c 6 3 0 加工中心在使用旋转编码器和丝杠进行位置控制时， 与使用直线光栅尺的的圆周测试结果显示，用旋转编码器和丝杠进行位置控 制时机床轨迹在高速运行时明显偏离理想路径。在使用了直线光栅尺后，运 动轨迹的精度得到了明显提高。 实验二：用激光干涉仪对机床定位精度进行检测，测试结果下所示： v d i3 4 4 l 哪嘲l 图2 2 半闭环未补偿 闭环来 推 图2 3 闭环未补偿 由图2 2 和图2 3 的结果可以看出，在同样的测试条件下，机床采用半 哈尔滨工程大学硕士学位论文 闭环定位精度为1 6 6 9 5 u m ，而采用闭环时机床定位精度8 6 0 1 u m ，精度提高 了近一倍，。所以，h c 6 3 0 加工中心在使用闭环控制( 使用直线光栅尺) 比半 闭环控制( 使用旋转编码器和丝杠) 机床的定位精度能够得到非常明显的提 高。 2 1 5 激光干涉仪和球杆仪综合性能分析 定位精度是影响机床高精度性能的一个重要方面。现代的数控系统，大 多都有补偿的功能，利用软件对数控机床的误差进行补偿、调整，可以大大 提高数控机床的定位精度、加工精度。如s i e m e n s8 4 0 0 系统，不仅有螺距误 差补偿功能，而且，还有垂度补偿功能、温度补偿功能、过象限补偿等功能。4 因此，可以结合具体的机床改造过程，利用先进的激光干涉仪测量系统， 对机床的定位精度进行测量，并利用球杆仪快速检查机床精度，诊断误差来 源，自动分析机床精度状态，检查出反向间隙、垂直度、直线度、周期误差、 伺服不匹配、传动链磨损等，根据检测结果，进行必要的分析，再结合资金 投入、新技术应用等因素确定必要的改造、修理方案。在调整机床参数时， 尤其是伺服驱动参数，可根据球杆仪的检测结果，进行系统优化，使机床参 数更合理，系统更稳定。” 在改造完成后，利用激光干涉仪对定位精度进行测量，然后，根据情况 进行适当的补偿，可以大大提高机床的定位精度和加工精度。 2 1 6 减少传动环节的间隙 一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数 控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传 动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加：r 精度。 如果进给传动系统中有蜗轮蜗杆传动，一定要注意，调整好反向间隙， 否则，很可能直接影响机床性能。 另外，如果迸给传动系统中有同步齿形带，也必须进行适当的调整或更 换，尤其是在采用半闭环系统中，若此部分不在控制环内，将直接影响机床 1 4 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 的定位精度。” 2 2 改造新技术的应用 为了能够大幅度提高数控机床改造后的性能，升级为最顶级的高端机床， 有时需要使用高性能和高可靠的新型功能部件。但往往价格非常昂贵，使用 时一定要根据实际情况，慎重选择。最具有代表性和机床设计前沿的新型功 能部件有：高频电主轴、直线电动机和电滚珠丝杆。 2 2 1 电主轴 高速精密电主轴是适应现代高速加工技术发展起来的机电一体化高技术 产品，主要应用于数控机床、加工中心等公司数控精密数控机械设备。陔产 品是内装电机式主轴单元，电机和主轴一体，电机直接驱动主轴，减少了传 动过程中电机到主轴中间的齿轮皮带等中间传动环节，具有高转速、高精度、 低噪音、低温升，体积小、安装方便等优点。是现代高档数控机械的关键部 件。结构如图2 4 所示。 高速精密电主轴广泛应用于数控机械，为高档数控机床所必需的关键功 能部件，采用高速精密电主轴不仅具有缩短数控机床的制造周期，而且可以 大大提高数控机床的加工性能。 高速精密电主轴的基本原理是把高速电机置于精密主轴内部，电机和主 轴一体，电机直接驱动主轴，消除电机到主轴传动链中的齿轮、皮带等中间 传动环节，具有高转速、高精密、噪声低、低温升、体积小、安装方便等特 点，是现代高档数控机床主要的关键部件。 国内目前只有少数几家科研院所研究该产品，生产规模小，成本高，尤 其是大扭矩、低速电主轴国内还不十分成熟，目前国内绝大部分( 9 5 以上) 电主轴依赖进口。 堕叠堡三矍查堂堡主堂焦堡塞 图2 4 电主轴 2 2 2 直线电机 近年来，直线电动机的应用日益广泛。直线电动机的价格虽然高于传统 的伺服系统，但简化了机械传动结构，提高了机床的动态性能。西门子公司 生产的1 f n l 系列三相交流永磁式同步直线电动机的外观如图2 5 所示。 图2 5 直线电机 1 f n l 系列直线电动机是专门为动态性能和运动精度要求高的机床设计 的，分为初级和次级两个部件，次级部件采用永磁式，具有完善的冷却系统 隔热措施，热稳定性良好。1 f n l 直线电动机能够适应各种切削加工的环境， 配置s i m o d r i v e6 1 l 数字变频系统后，就成为独立的驱动系统，可以直接安 装到机床上，适用于高速铣床、加工中心、磨床以及并联运动机床。 1 f n l 系列直线电动机的特点如下： 配有主冷却和精密冷却两套冷却回路，再加上隔热层，保证电动机的发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 热对机床没有影响。 电动机部件全部金属密封，尽可能防止有腐蚀性的液体和空气间隙中的 微粒侵入。 独立部件，安装简便，即插即用。 驱动力的波动经过优化，过载特性良好。 图2 6 采用直线电动机的加工中心结构 从图中可见，该机床三个坐标运动都采用了直线电动机。移动速度高达 1 2 0 m m i n ，加速度高达2 9 ，机床的动态性能有明显提高。 2 2 3 电滚珠丝杠 电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成。具有减少传动环节、结构 紧凑等一系列优点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的结构，电滚珠 丝杆的内部结构如图2 7 所示。 图2 7 内部结构 一台采用电滚珠丝杆的数控机床的总体配置如图2 8 所示，其中蓝色为 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 伺服电动机，红色为滚珠丝杆和直线滚动导轨，机床的结构大为简化。 ”3 1 图2 8 采用电滚珠丝杆的数控机床 2 3 本章小结 数控机床改造并不是将现代数控装置与机床连接在一起就可以了，还应 对主要部件进行相应的修理、改造，使其达到一定的设计要求，获得预期的 改造目的。 本章根据多年的数控机床维修实践及十几台数控机床的改造经验，说明 了提高机床改造的精度的主要措施：修复机床导轨精度、主轴精度、滚珠丝 杠、尽量采用闭环控制、最新技术的应用、利用激光干涉仪和球杆仪进行系 统性能综合分析并进行优化等。 为了说明采用闭环控制可以提高机床改造的精度，作了一系列的相关实 验，用数据说明了采用闭环比半闭环控制的精度更高，在改造时应尽量采用。 本章内容对数控机床改造具有一定的指导意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章改造方案的设计 3 1h 0 6 3 0 加工中心现状分析 3 1 1 机械结构及现状 h c 6 3 0 卧式加工中心机械部分基本完好。带有刀库和自动换刀装罱，具 有旋转工作台和双托板自动交换功能；工作台横向沿x 轴移动，y 轴带有自 动锁紧装置，靠液压松开；立柱为框型结构，对称设计；主轴为直流驱动主 轴；链式刀库，容量4 0 把；机床还设有自动排屑装置及全封闭防护罩；机床 配有冷却系统；主电机采用直流伺服电机，可实现无级传动，x y ，z 进给 坐标采用直流伺服电机带动滚珠丝杠传动，b 、w 坐标采用直流伺服电机带 动蜗杆传动。机床由于基本处于闲置状态，所以机械部分磨损较少，几何精 度基本能够满足加工要求，液压、润滑等部分基本完好，无须较大的修理、 更换。 3 1 2 电气控制部分现状 h c 6 3 0 加工中心原数控系统采用的是f a n u c7 系统，驱动单元为日本 f a n u c 直流伺服驱动及直流伺服电机，有的已不能正常工作，有的缺少备件， 经常出现死机等故障，数控系统、伺服系统以及伺服电机都需要更换；进给 轴x 、y 、z 、b 全部是闭环控制，采用同步感应尺测量，需要更换为最新的直 线光栅尺；工作台分度依靠圆光栅，分度精度较高，可以保留。电气柜内的 继电器等电气元件都已经严重老化，需要重新设计、更换；所有导线、电缆 老化，存在严重的安全隐患，需要重新布线、更换。 3 2 需要改造部分 根据机床现状，需要改造的部分如下： l 、电气控制系统。包括电气原理图设计，计算电机扭矩，选定电机，确 定各坐标位置反馈方式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、更换数控系统、驱动单元及伺服电机，其余电气部分彻底检修，需要 更换的予以更换，配置s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统及其安装调试。 3 、编制机床p l c 程序。利用s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统内置的p l c 进行 逻辑控制及信息处理，根据机床操作及运动要求编制控制程序。使数控系统、 伺服系统与机床其他部分之间协调一致的工作。 4 、对机械部分( 主要包括主轴、导轨副、丝杠副、蜗轮副) 进行必要的 修理、更换或改造，恢复或提高精度，满足数控改造的要求。 5 、对机床机、电、液整体联调，保证达到原有功能并有所提高，以适应 数控系统的控制要求。 3 3 改造方案设计 3 3 1 改造整体方案 目前，世界上生产数控系统的厂家很多，比较典型的系统制造商，国外 有德国s i e m e n s 公司，日本f a n u c 公司、日本三菱公司，西班牙f a r g o 公司 等；国内有广州数控有限公司，华中数控有限公司等。其中s i e m e n s ， f a n u c 是一专门从事数控系统开发、设计和生产的专业公司，品种齐全，性能可靠， 应用最普遍，具有较高的性能价格比。我国从事数控系统开发、设计和生产 的公司起步较晚，虽然近几年有很大的发展，但与s i e m e n s 、f a n u c 公司仍有 较大差距。“”由于h c 6 3 0 卧式加工中心机械部分精度较高，改造时如果采用 数控系统与之不匹配，必然影响改造效果，因此，根据机床的特点及功能的 要求，s i e m e n s 公司生产的高中低档数控系统最适合数控机床的改造，并且， 哈航集团大部分数控设备都采用8 4 0 d 系统，所以，综合分析，选用s i n u m e r i k 8 4 0 d 系统和6 1 1 d 驱动系统对h c 6 3 0 卧式加工中心进行数控化改造。 同时，对数控系统与p l c 接口信号进行处理，实现p l c 与数控系统之间 的数据的实时传送，实现机床所有的控制功能。 改造中对机床机械部分进行检修，使机械精度达到出厂或优于出厂标准。 各坐标运动采用交流伺服驱动系统，保留原坐标传动方式，x ，y ，z 坐标 为滚珠丝杠，b ，w 坐标为蜗轮蜗杆，各坐标位置反馈采用光栅尺或圆光栅闭 环控制。 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 原机床液压系统、润滑系统、冷却系统、工作台交换系统保持不变，改 由p l c 程序统一进行逻辑控制。 3 3 2 预期达到的技术性能 1 、恢复机床原来的所有功能。 2 、具有加工程序